Presentert her er DownToTen (DTT) bærbare utslippsmålingssystem for å vurdere reelle kjørende bilutslipp av sub-23 nm partikler.
Den nåværende partikkelstørrelsesterskelen for de europeiske pn-utslippsstandardene (PN) er 23 nm. Denne terskelen kan endres fordi fremtidig forbrenningsmotorkjøretøyteknologi kan avgi store mengder sub-23 nm partikler. Det Horizon 2020-finansierte prosjektet DownToTen (DTT) utviklet en prøvetakings- og målemetode for å karakterisere partikkelutslipp i dette for tiden uregulerte størrelsesområdet. Et PN-målesystem ble utviklet basert på en omfattende gjennomgang av litteratur- og laboratorieeksperimentene som testet en rekke PN-målinger og prøvetakingsmetoder. Målesystemet som er utviklet er preget av høy partikkelpenetrasjon og allsidighet, noe som muliggjør vurdering av primære partikler, forsinkede primære partikler og sekundære aerosoler, fra noen få nanometer i diameter. Dette papiret gir instruksjoner om hvordan du installerer og bruker dette PORTABLE Emission Measurement System (PEMS) for Real Drive Emissions (RDE) målinger og vurderer partikkelnummerutslipp under gjeldende lovgivende grense på 23 nm.
Partikkelmålingsprogrammet (PMP) ble grunnlagt av den britiske regjeringen for “utvikling av typegodkjenningstestprotokoller for vurdering av kjøretøy utstyrt med avansert partikkelreduksjonsteknologi som ville utfylle eller erstatte gjeldende lovgivende måleprosedyrer”1. PMP er verdens første partikkelnummerbaserte utslippsregulering, rettet spesielt mot karbonholdige partikler ≥23 nm. Nylige målinger indikerer at det kan være nødvendig å inkludere mindre partikler.
Negative helsekonsekvenser av diesel sot er godtforstått 2, og derfor ble “føre-var-prinsippet” påkalt på grunnlag av at eliminering av karbonpartikler fra dieseleksos, via obligatorisk bruk av dieselpartikkelfiltre (DPFs), var avgjørende på helsemessige grunnlag. Men fordi i europeisk lovgivning må en grenseverdi tvinge innføring av utslippskontrollteknologier, dette kunne ikke oppnås uten en passende målemetode. Med sterk politisk støtte over hele Europa ledet den britiske regjeringen pmps oppfatning for å forbedre partikkelmålinger. PMP, i regi av FNs økonomiske kommisjon for Europa (UN-ECE)3,inkluderte ekspertisen til andre fra hele verden. To partikkelforskningsprosjekter ble ferdigstilt i 2001. En av dem (Partikkelforskning4) ble utført av det britiske regjeringsdepartementet for miljø, transport og regioner (DETR), i samarbeid med Society of Motor Manufacturers and Traders (SMMT) og Oil Companies European Organisation for Environment, Health and Safety (CONCAWE). Den andre (PARTIKKELER5)ble finansiert av EUs 5.th Resultatene fra begge prosjektene indikerte at partikkelnummerbaserte prosedyrer var lovende, men at utfordringer for repeterbare og reproduserbare målinger forble.
I 2007 ble den endelige rapporten fra PMP Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercisepublisert 6, inkludert noen forbedringer på den filterbaserte massemålingsmetoden, som hovedsakelig viser muligheten for en talltellingsbasert metode for regulatoriske formål basert på et definert partikkelstørrelsesområde og partikkelvolatilitet. Begge metodene ble implementert basert på prøvetaking fra den eksisterende konstante volumprøven (CVS) fortynningstunneltilnærming opprinnelig utviklet for svevestøvmasse og posete fortynnede gassutslippsmålinger.
Innenfor den talltellingsbaserte metoden ble det valgt en lavere partikkelstørrelsesgrense på ~20 nm. Hovedmålet med prosjektet var å sikre at partikler av denne størrelsen og over ble kontrollert av lovgivningen. Det er nå kjent at den primære partikkelstørrelsen i motoreksos kan være <20 nm7,8,,9. Av praktiske årsaker ble en partikkelteller med 50 % telleeffektivitet (d50) ved 23 nm valgt, og denne størrelsen ble den aksepterte terskelen for lavere størrelse. Det ble anerkjent at på grunn av høy følsomhet for egenskaper som fortynning, lufttemperatur, fuktighet og forhold10,kan flyktig partikkelstørrelsesfordeling og integrerte tallmålinger gjentas i ett CVS-utstyrt anlegg med ett kjøretøy, men mye mindre fra anlegg til anlegg. Derfor, for strenge forskrifter, var det nødvendig å fokusere utelukkende på ikke-utilfredsstillende partikler, med måletilnærmingen som effektivt definerer de regulatoriske partikkelgrenseforholdene på størrelse og volatilitet. Europeisk diesel har back-end volatilitet slik at bare noen få prosent koker ved temperaturer over 350 ° C, og tidlig arbeid i PMP indikerte at korte oppholdstider ved denne temperaturen var egnet for fullstendig fordampning av tetracontane, et lineært hydrokarbon som inneholder 40 karbonatomer med volatilitet mot slutten kokepunktet for motorsmøremiddel11. Følgelig har en temperatur på 350 °C blitt de facto referansepunkt for regulatorisk > 23 nm partikkelvolatilitet.
Spesifikasjonen for PMP-målesystemet består av komponenter for prøvetaking, prøvekondisjonering og måling, oppsummert i tabell 1.
Scenen | Identitet | Formål |
0 | Eksempelkilde | Opprinnelsen til eksempelet |
1 | Partikkeltransport | Utform prøve fra opprinnelse til målesystem |
2 | Flyktig partikkelfjerner | Eliminer flyktige og definer ikke-flyktige partikler som skal måles |
3 | Partikkelnummerteller | Nummerer ikke-flyktige partikler og definer den nedre størrelsesgrensen |
Tabell 1: Elementer i PMP-målesystemet.
Den europeiske PMP PN-tilnærmingen implementeres og gjelder nå for lette dieselbiler (september 2011, EURO 5b) og GDI-kjøretøy (september 2014, EURO 6), og for diesel- og gassmotorer (februar 2013, EURO VI).
Nylige målinger viste at noen lette kjøretøy og spesielt gnisttennningsteknologier kan avgi betydelige nivåer av partikler <23 nm12,,13,,14. Dette førte til at Europakommisjonen finansierte forskningsprosjekter for å utvikle nye eller utvidede metoder som raskt kan implementeres som en erstatning, eller i tillegg til dagens > 23 nm-forskrift.
Et slikt prosjekt, DownToTen (DTT), har som mål å bevare den generelle tilnærmingen til PMP og utvide måleområdet ned til en d50 ≤10 nm. For dette formål ble konfigurasjonen av DTT-målesystemet utformet for å inkludere de samme grunnleggende elementene som er beskrevet i tabell 1,men med kondisjonerings- og måletrinnene optimalisert for å muliggjøre effektiv transport og påvisning av <23 nm-partiklene. DTT-systemet ble opprinnelig utviklet for laboratoriebruk, men ble modifisert for å fungere som et bærbart utslippsmålingssystem (PEMS). For DTT PN-PEMS-systemet ble komponentene optimalisert for å redusere vekt og strømforbruk og øke fysisk robusthet uten å avvike vesentlig fra den opprinnelige designen. For mobilapplikasjon må systemet være motstandsdyktig mot strengere og uberegnelige temperaturer, trykk og vibrasjonsmiljøer som sannsynligvis oppstår i lette og kraftige PEMS-testing. Virkningen av trykkvariasjoner ved innløpet av systemet ble modellert og studert eksperimentelt15. Motstanden mot vibrasjoner ble vurdert ved hjelp av en dedikert testseng16. Vibrasjoner og akselerasjoner som oppstår under typiske RDE-stasjoner svekket ikke måleresultatene av kondenspartikkeltellerne som brukes. DTT-systemet er også designet for bruk ved lave temperaturer, hvor den flyktige fjerningsfunksjonen er inaktiv, for å mate et aldringskammer og studere sekundær organiskaerosoldannelse 17.
De termiske kondisjoneringselementene i DTT-målesystemet som definerer den regulatoriske volatilitetsgrensen for partikler, er nært parallelle med elementene i PMP-systemet ved at begge systemene inneholder sekvensen:
De primære forskjellene mellom DTT- og PMP-systemene er at DTT-systemkomponentene er valgt for å:
Målet med dette papiret er å presentere bruken av DTT PN-PEMS-systemet for måling av ikke-utilgvillige partikler ≥ 10 nm fra et veikjøretøy i bruk. Dette inkluderer en introduksjon til målesystemet og dets hovedkomponenter, utfører laboratoriebaserte kalibreringsmålinger, installerer enheten for en mobilapplikasjon, gjennomfører en reell måling av kjøreutslipp og behandler de innsamlede måledataene.
Instrumentation
DTT PN-PEMS ble designet for å gi høy partikkelpenetrasjon ned til noen få nanometer, robust partikkelnummerfortynning, fjerning av flyktige partikler og forebygging av kunstig partikkeldannelse. Komponentene i systemet ble valgt basert på resultater fra laboratorieforsøk som sammenligner en rekke teknologier for fortynning og aerosolkondisjonering. Denne delen gir en oversikt over systemet, arbeidsprinsippet og komponentene som brukes. Figur 1 viser en skjematisk av systemet. Figur 2 viser et bilde av systemet. DTT-systemet er 60 cm høyt og har et fotavtrykk på 50 cm x 50 cm. Vekten av systemet er ca 20 kg. Inkludert de nødvendige perifere elementene (det vil viløre batteri og gassflaske) er totalvekten ca. 80 kg. De viktigste elementene i systemet er de to fortynningsstadiene (det vil vil vil at første varme, andre kalde), en katalytisk stripper og minst en kondenspartikkelteller (CPC).
Figur 1: Skjematisk tegning av DTT partikkelnummer bærbart utslippsmålingssystem. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Bilde av DTT-prøvetakingssystemet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
To fortynningsstadier reduserer partikkelnummerkonsentrasjonene til nivåer målbare ved kondenspartikkeltellere (<104 #/cm3). Skreddersydde porøse rørfortynnere brukes til begge fortynningsstadier. Denne teknologien ble valgt på grunn av det lavepartikkeltapet 18,,19. Den radiale inntrengningen av fortynningsluft holder konvektivt partikler vekk fra veggene, noe som reduserer partikkeltap. Videre kan disse fortynningene være svært små og tåler temperaturer på 400 °C. Det porøse materialet som brukes er et sintret hastalloy X-rør (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Tyskland). Statiske blandeelementer inne i det porøse røret gir en godt blandet aerosol direkte nedstrøms av fortynningen. Dette gjør det mulig å ta en representativ prøve av den fortynnede aerosolen for ytterligere kondisjonering eller måling ved å dele aerosolstrømmen direkte nedstrøms av fortynningen, og gir mulighet for et kompakt prøvetakingssystem. Det primære fortynningsstadiet varmes vanligvis opp til 350 °C, mens den andre fasen drives ved omgivelsestemperatur. Fortynningsfaktoren til systemet er ca. 80. Den nøyaktige verdien er avhengig av innløpsstrømmen og massestrømningshåndteringen: Strømningshastighetene i prøvetakingssystemet styres av et system med to massestrømningskontrollere og to massestrømningsmålere. Massestrømningsregulatorene kontrollerer fortynningsluftstrømningshastighetene. Massestrømningsmålerne overvåker strømningshastighetene som utvinnes nedstrøms av fortynningstrinn 1 og 2. Forskjellene mellom strømmene som utvinnes og strømmene som følger med, kan endres. Med andre ord kan nettoflyten som legges til eller trekkes fra i ett fortynningsstadium defineres. Eksempelflythastigheten,Q-prøven, er definert som summen av alle andre strømningshastigheter: 1) Strømningshastighet tegnet av måleinstrumentene (Qinst); Q 2) fortynning luftstrømningshastigheter (Qdil, i); og 3) overflødig strømningshastigheter Qex, i. For beregningen av prøveflyten er bidragene fra flytene hentet fra systemet positive, og bidragene fra strømmene som mates inn i systemet er negative.
Det totale fortynningsforholdet DR beregnes av:
En katalytisk stripper (CS) ligger mellom fortynningstrinn 1 og 2 og betjenes ved 350 °C med en strømningshastighet på 1 liter per minutt (L/min). Den katalytiske stripperen gir oksidasjon av organiske forbindelser og svovellagring. Fjerning av disse stoffene sikrer isolering av den faste partikkelfraksjonen. Den uønskede dannelsen av flyktige og halvvolatile partikler og vekst av subcut størrelse partikler er forhindret. Den katalytiske stripperen som brukes er kommersielt tilgjengelig (AVL GmbH). Den flyktige partikkelfjerningseffektiviteten til CS ble verifisert med polydisperse emeryoljepartikler > 50 nm og > 1 mg / m3 (3,5-5,5 mg / m3) som viser en effektivitet på > 99% (faktisk verdi 99,9%) definert i RDE-forskrifter20. Dette er en strengere test enn tetrakontantesten som er foreskrevet i gjeldende PMP-protokoll.
En eller flere kondenspartikkeltellere brukes til å måle partikkelnummerkonsentrasjonen nedstrøms av det andre fortynningsstadiet. En CPC med en d50 av 23 nm muliggjør måling av dagens regulerte utslipp av faste partikler større enn 23 nm. I tillegg gjør måling av partikkelnummerkonsentrasjonen med en eller flere CPC-er med et lavere d50-kuttpunkt (f.eks. 10 nm, 4 nm) vurderingen av den nåværende uregulerte faste partikkelfraksjonen <23 nm ned til d50-kuttstørrelsen på den påførte CPC.
Fortynningslufttilførselslinjen, den primære porøse rørfortynneren og den katalytiske stripperen har uavhengige varmeelementer som inneholder k-type termoelementer (TC). Uavhengig oppvarming av ulike seksjoner styrer temperaturfordelingen i systemet.
I tillegg til termoelementene i varmeelementene plasseres to termoelementer nedstrøms av fortynningstrinn 1 og 2. Disse to termoelementene måler direkte aerosoltemperaturen.
To absolutte trykksensorer (NXP MPX5100AP) brukes til å overvåke trykket ved innløpet og utløpet av prøvetakingssystemet.
For mobile målinger brukes en Clayton Power LPS 1500-batteripakke. En 10 l syntetisk luftflaske forsyner systemet med fortynningsluft under mobile applikasjoner. Størrelsene på batteriet og gassflasken velges slik at systemet kan operere uavhengig i 100 min.
Systemet styres via en NI myRIO som kjører et virtuelt LabVIEW-instrument. Det virtuelle instrumentet gir mulighet for kontroll av strømningshastigheter og varmetemperaturer. Bortsett fra de kontrollerte parametrene kan aerosoltemperaturene, trykket og akselerasjonen (via sensoren integrert i myRIO) overvåkes og logges. En MYRIO tilbehør GPS-modul gjør det mulig å logge av posisjonsdataene. Figur 3 og Figur 4 viser brukergrensesnittet til det virtuelle instrumentet som brukes til å kontrollere DTT-systemet.
Figur 3: Oversikt over parameteroversikt for dtt-fortynningsstadium for virtuelle instrumenter. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: DTT virtual instrument varmeapparat kontrollpanel. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Enhver form for prøvetakingsprosedyre forårsaker partikkeltap. For å kunne ta høyde for disse tapene utføres laboratoriemålinger for å bestemme partikkelstørrelsesavhengig partikkelpenetrasjon gjennom DTT-prøvetakingssystemet. I disse målingene måles partikkelkonsentrasjonen av monodisperse aerosol oppstrøms og nedstrøms av prøvetakingssystemet ved hjelp av to kondenspartikkeltellere. Figur 5 viser det eksperimentelle oppsettet for kalibreringsmålingene. I dette oppsettet brukes en Jing miniCAST som partikkelkilde21,22. Massestrømningskontrollere (MFC) brukes til å kontrollere gassstrømmene inn i brenneren. En fortynningsbro muliggjør justering av partikkelnummerkonsentrasjonen. Fortynningsbroen er et høyeffektivt partikkelluftfilter (HEPA) parallelt med en nåleventil. Justering av posisjonen til nåleventilen endrer fortynningsforholdet ved å endre forholdet mellom brøkdelen av aerosolen som passerer gjennom HEPA-filteret og brøkdelen av aerosolen som passerer gjennom nåleventilen. De filtrerte og ufiltrerte aerosolene kombineres med et T-stykke for å danne en fortynnet aerosol. En katalytisk stripper brukes til å fjerne muligens rikelig flyktige forbindelser generert som biprodukter av forbrenningsprosessen. En TSI 3082 elektrostatisk klassifikator sammen med en TSI 3085 differensialmobilitetsanalysator (nano DMA) brukes til størrelsesvalg av partikler. To TSI CPCer 3775 (d50 = 4 nm) brukes til å måle partikkelnummerkonsentrasjonen oppstrøms og nedstrøms av DTT-prøvetakingssystemet. Tellernes klippepunkt på d50 = 4 nm gir mulighet for inntrengning ved partikkelstørrelser så lavt som 10 nm og under.
Figur 5: Skjematisk tegning av det eksperimentelle oppsettet som brukes til kalibrering av DTT-prøvetakingssystemet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Dette arbeidet presenterer DTT-prøvetakingssystemet og applikasjonen som et bærbart utslippsmålingssystem. Systemet ble designet og konstruert i EU Horizon 2020-prosjektet DTT for å muliggjøre utslippsmålinger for partikkelnummer under den nåværende lovgivende partikkelstørrelsesgrensen på 23 nm. Systemets allsidighet muliggjør vurdering av de regulerte utslippene av faste partikkeltall samt totale partikkelutslipp og studier på sekundære aerosoler. For å tolke måleresultatene nøyaktig, er det nødvendig med en kalibreringsprosedyre med DTT-systemet. Dette er for å evaluere den relative partikkelpenetrasjonen for forskjellige partikkelstørrelser, for å kunne beregne en korreksjonsfaktor som står for partikkeltapene. Det er avgjørende å gi tilstrekkelig oppvarmingstid for prøvetakingssystemet selv og resten av det eksperimentelle oppsettet for å nå termisk likevekt og oppnå nøyaktige kalibreringsmålingsresultater.
Anvendelsen av DTT-systemet for måling av utslipp av faste partikkeltall med en lavere partikkelstørrelsesreduksjon på 23 nm (gjeldende regulering) og 10 nm (eksperimentell) er beskrevet. For å kunne vurdere partikkelnummerutslipp av et kjøretøy er det nødvendig å bestemme partikkelnummerkonsentrasjonen og eksosmassestrømningshastigheten. DTT-systemet dekker konsentrasjonsmålingen av partikkelnummer. Avtrekksmassestrømmen måles ved hjelp av en eksosstrømningsmåler (EFM). Det er viktig å installere EFM i henhold til produsentens instruksjoner. Feilaktige målinger av eksosstrømningshastigheten påvirker direkte de utduserte utslippsratene. Ved behandling av de målte dataene er det viktig å utføre en nøyaktig tidsjustering av partikkelkonsentrasjonsdataene og eksosflytdataene. Dette er nødvendig fordi utslippshastigheten er eksosstrømningshastigheten multiplisert med partikkelnummerkonsentrasjonen. Hvis de to signalene ikke er riktig justert, kan utslippene over hele stasjonen avvike fra de reelle utslippene betydelig.
DTT-systemet er ikke en kommersiell enhet, men et allsidig forskningsverktøy. Den brukes til å undersøke uregulerte kjøretøyutslipp i motsetning til å utføre sertifiseringsmålinger som validerer overholdelse av gjeldende forskrifter. Den høye allsidigheten kommer på bekostning av økt energi og fortynningsluftforbruk. Når du bruker systemet til mobile målinger, må vekten som legges til kjøretøyet på grunn av batteriet (30 kg) og gassflasken (20 kg) for å dekke energi- og luftforbruket til systemet, holdes i bakhodet. Totalvekten som legges til bilen ved måling av PN-utslippene med DTT-systemet er ca. 80 kg, noe som kan sammenlignes med en annen person som transporteres i kjøretøyet. Den ekstra vekten kan føre til litt økte utslipp, spesielt hvis stasjonen inkluderer mye akselerasjon og / eller bakker.
DTT-systemet kan brukes til å undersøke de uregulerte <23 nm partikkelnummereksosutslippene. Både utslipp av faste og totale partikkeltall kan måles. Videre kan det være et nyttig verktøy for å studere det komplekse feltet for sekundær aerosoldannelse. En annen mulig anvendelse av systemet er måling av bilbremsslitasjepartikler. En betydelig brøkdel av partiklene som slippes ut under bremsehendelser kan være mindre enn 30 nm34. Med en d50 på ca. 11 nm er DTT-systemet egnet for å studere disse utslippene. Selv om det er kjent at ikke-eksosutslipp bidrar nesten like mye til trafikkrelaterte PM10-utslipp 35,er ikke-eksospartikkelutslipp fortsatt uregulert. Dette skyldes den komplekse og sjelden reproduserbare prosessen med partikkelgenerering, noe som gjør det svært vanskelig å sette regulatoriske tiltak. Videre er den kjemiske sammensetningen og den relaterte toksisiteten av organiske bremseslitasjepartikler fortsatt allment ukjent35.
DTT-systemet er et nyttig verktøy for å forbedre vår forståelse av både eksos- og ikke-eksostrafikkrelaterte partikkelutslipp.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet utføres innenfor rammen av H2020-prosjektet DownToTen. Dette prosjektet har mottatt støtte fra EUs Horizon 2020 forsknings- og innovasjonsprogram i henhold til tilskuddsavtale nr.
2x Condensation Particle Counter 4 nm | TSI | 3775 | Particle counter with a cut point of 4 nm |
5x Mass Flow Controllers (MFC) | Vögtlin | Mass flow controllers for controlling the miniCast gas flows | |
AVL M.O.V.E. EFM Exhaust Flow Meter | AVL | Device for the measurement of the exhaust flow rate of vehicles | |
Catalytic Stripper | Custom made | Device for the removal of volatile compounds in an aerosol by oxidation | |
Compressed Air | Oxidation and dilution air supply for miniCast | ||
Condensation Particle Counter 10 nm | AVL | Particle counter with a cut point of 10 nm | |
Condensation Particle Counter 23 nm | TSI | 3790A | Particle counter with a cut point of 23 nm |
Differential Mobility Analyzer | TSI | 3085 | Part of the electrostatic classifier where the particle are separeted by mobility. |
Dilution Bridge | Custom made | Needle valve in parallel to HEPA filters. Used to adjust particle concentrations for calibration purposes | |
DownToTen Sampling System | Custom made | Custom made sampling system for the assessment of automotive sub-23 nm particle emissions | |
Electrostatic Classifier | TSI | 3082 | Device for the classifaction of arosol particles by electrical mobility diameter |
Hand held Mass Flow Meter (MFM) | Vögtlin | Device for measuring the inlet flow of measurement instruments | |
miniCast Soot Generator | Jing Ltd | Combastion aerosol standard, soot generator | |
Mobile Battery LPS 1500 | Clayton Power | Battery for power supply of the DTT measurement system | |
Nitrogen Gas Bottle | Nitrogen for Mixing gas and quench gas supply of miniCast | ||
Propane Gas Bottle | Fuel for miniCast | ||
Soft X-Ray Neutralizer | TSI | 3088 | Device for the establishmentof the equillibrium charge distribution of aerosol particles |
Synthetic Air Bottle 10 L | Gas Bottle for the dilution air supply |